Cours de Chromatographie en Phase Gazeuse (L2)

Chromatographie en Phase Gazeuse (CPG) 

Cours de Chromatographie en 

Phase Gazeuse (L2) 

Université de Paris Val 12 de Val Marne de Marne Faculté des Sciences et technologie Faculté de Sciences 9 et 16 Technologie mars 2009


I. Introduction 

1. Objectifs 

2. Programme 



1. Objectifs 

Familiarisation avec une technique analytique 

•Appareillage 

•Fonctionnement 

•Grandeurs caractéristiques 

•Applications 

•Préparation Pé aux travaux pratiques 



2. Programme 

•Cours 3h 

• TD 

1h30 

•TP 4h30 

•Transparents et fascicule disponibles sur : 

Site int. : www. lisa.univ‐paris12.fr/~sternberg 

• e.mail: sternberg@lisa.univ‐paris12.fr 



II. Généralités 

1. Principe 

2. Caractéristiques 

3. Système CPG 



1. Principe 

• technique de séparation basée sur la distribution des 

solutés d’un dunmélange entre 2 phases 

‐phase stationnaire (solide, liquide) 

‐phase mobile (liquide, gaz) 





1. Principe 

• CPG utilise une phase mobile 

mécanisme 

‐phase stationnaire solide CGS adsorption 

‐phase stationnaire solide CGL dissolution 

• CPG analytique utilise une colonne pour la séparation 

• CPG: 30% des analyses de chromatographie 




•molécules gazeuses ou vaporisables par chauffage sans 

décomposition 

•mélanges complexes, si les composés ont des volatilités 

suffisamment différentes 

•analyse des composés organiques (domaine de 

prédilection) 

•phase stationnaires : liquide (film) ou solide (adsorbant) 

•phase mobile : gaz vecteur inerte qui pousse l’échantillon 

•CGL (dissolution) et CGS gaz‐solide (adsorption) 




•simplicité 

ité 

•fiabilité: phase stationnaire régénérée par le gaz vecteur 

•temps de rétention indépendants 

d 

•sensiblilité ppm (10 ‐6 g/g) ppt (10 ‐12 g/g) 

•Rapidité (100 pics/30 min) 

•non destructive, faible coût, grande résolution, facilité 

d’emploi 

Remarque: pas adaptée pour les composés lourds (trop 

retenus) et les non volatils (nécessité d’une transformation 

chimique) 




1 2 3 4 

gaz 

vecteur 

injection séparation détection 

Acquisition 

iti 

Traitement 











III. Grandeurs caractéristiques 

1. Grandeurs thermodynamiques 

2. Grandeurs cinétiques 

3. Indicateurs de séparation 




t 0 

t m temps mort 

t r temps rétention 

t r’ temps rétention réduit 

t r= t m + t r’ 

w 




•Coefficient de partage K=Cs/Cm 

• Volume de rétention 

V R 

=V m 

+ KV L 

• Facteur de capacité 

k’= (V R 

- V m )/V m 

k’= (t R 

-t m 

)/t m 




•Efficacité 

H=L/N 

L= longueur de la colonne 

N=nombre de plateaux théoriques N=16(tr/ω) 2 =5,54(tr/δ 1/2 ) 2 

H=hauteur équivalente à un plateau théorique 

H 






•Equation de Van Deemter‐Golay 

H=A+B/u + Cu 

u vitesse moyenne du gaz vecteur = L/t m 

A= terme de diffusion turbulente (remplissage) 

B= terme de diffusion longitudinale 

C= terme e de résistance éi eau transfert de matière aièe 

A,B,C coefficients de contribution à l’élargissement des pics 




B/u 

A 

Cu 

vitesse lente (u ), B prédomine 

H~A+B/u 

vitesse rapide (u ), C prédomine 

H~A+Cu 



3. Indicateurs de séparation 

• Facteur de sélectivité 

ité 

t 

2 

α = = 

t 

• Résolution 

k ' 

2 2 

1 

k' 1 

t − t 

R =22 

2 1 

s 

ϖ + ω 

1 2 



Comment améliorer la séparation? 

(solutés A, B) 

modifier la thermodynamique modifier la vitesse 

(K=C s /C m ) 

(/ (u/cm.s -1 ) 

Changer la phase stationnaire 

(K 1 différent de K 2 ) 

Efficacité amélikorée 

(H , ω, δ 1/2 ) 



IV. Fonctionnement du CPG 

1. Gaz vecteur 

2. Injection 

3. Séparation 

4. Détection 

5. Acquisition et traitement des données 



Gaz vecteur 

• nature: hélium (He), hydrogène (H 2 ), 

azote (N 2 ), argon (Ar) 

• pureté: analyse de traces 

• inertie: vis-à-vis des solutés, 

dilution minimale 

• choix: détecteur, efficacité, sécurité,…. 



1. injection 

• rapidité et ponctualité 

•manuelle 

-seringue 

- injecteur 

•automatique 

-vanne à gaz 

-boucle d’échantillonnage 


5.2 injection 


l 

Injecteur « à programmation 

Injecteur split/splitless Injecteur « on column de température » (PTV) 



2. séparation 

2.1 Colonne chromatographique 

« cœur du système d’analyse » 

2.2 Four 

thermostatation 




2.1 Colonnes chromatographiques 

Colonne remplie 

- caractéristiques géométriques: 

d.i.=1-6 mm, L=0,5 – 2 m, d.p.=50 – 300 μm 

- phase stationnaire: 

solide (CGS, adsorption); liquide id (CGL,dissolution) 

Colonne capillaire 

- caractéristiques géométriques: 

d.i.=0,1 – 0,53 mm, L=5–100 m, e f .=0,1-5,5 , μm 

- phase stationnaire: 

solide (CGS, adsorption); liquide (CGL,dissolution) 

PLOT 

WCOT 


séparation 


Adsorbant (CGS) ou 

support imprégné (CGL) 

Phase liquide CGL) 

ou adsorbant (CGS) 

> 1mm 

< 0.53 mm 

Tube 

Colonne remplie 

(CGS ou CGL) 

WCOT ou PLOT 

Colonnes capillaires 


Colonne capillaire 


•Tube (silice fondue ) 

- souple, étirable, résistant, inerte 

•Revêt.externe (polyimide, métal) 

- robustesse 

• Revêt.interne (phase stationnaire) 

-immobilisation 

- polarité 

- nature: methylpolysiloxane 



A. 

P 

-fléxible, résistant, 

-gamme de T élevée, 

- polarité variable 

phenyl- cyanopropyl- trifluoropropyl- 

B. 

-phase très polaire 

(polarité fixe) 

- fragile 




22F 2.2 Four (h (thermostatation) 

-isotherme (T=cste) 

- température variable 

T 2 

T 1 

t 



3. détection 

31dét 3.1 détecteur t universel 

« détecteur à ionisation de flamme (FID) » 

- identification par étalonnage 

- très grande sensibilité 

- composés organiques 

3.2 détecteur spécifique 

« spectromètre de masse (SM) » 

- identification grâce une librairie 

de spectres 

- très grande sensibilité 

-composés organiques et 

inorganique 



Caractéristiques d’un détecteur 

- bruit de fond : (h) 

- sensibilité : S=réponse/quantité injectée 

- limite de détection (l.d.): réponse=2xh (ou 3xh) 

- domaine de linéarité: d.l.=l.d.s./l.d.i.=10 l d d -x /10 -y =10 y-x 



Bruit de fond : 

Sensibilité 

Rapport Signal électrique issu du détecteur lors du 

passage du soluté sur le débit massique ou la 

concentration 

S = Signal/Concentration en mV/(mg/mL) 



Quantité minimale détectable: 

Hauteur ou aire du pic = niveau limite de détection 

h 

2h 



Signal d’un détecteur universel (FID) 



Signal d’un spectromètre de masse (SM) 



4. Acquisition et traitement du signal 

41 4.1 acquisition 

iti 

-enregistrement en continu du signal 

-analyse qualitative (temps de rétention) 

et quantitative (surface du pic) 

4.2 traitement du signal 

-élimination du bruit de fond 

-élimination du pic majoritaire pour les analyses de trace 

- traitement statistique de la forme des pics pour reconnaître 

des familles homologues (alcanes, alcènes) 


Remarque 1 


Préparation des échantillons non volatils (ou non 

vaporisables par chauffage modéré) 

1. Extraction: récupération des molécules cibles dans une 

matrice liquide id ou solide 

2. Fonctionnalisation : ajout d’une fonction chimique sur la 

molécule 

l 

3. Pyrolyse: y chauffage à haute température et fragmentation de 

la molécule (craquage) en fragments volatils 


1. Extraction 


Soxhlet 



2. Fonctionnalisation 

Objectifs: rendre volatils des composés peu volatils thermiquement 

fragiles et difficilement analysables par CPG, tels que les composés 

polaires ayant des fonctions: -COOH; -OH; -NH 2 ; -SO 3 H; -SH 



2. Fonctionnalisation (suite) 

Avantages 

- diminution de la polarité et volatilité plus grande, 

- séparation chromatographique améliorée, 

- limite de détection plus grande 

Difficultés 

- quantitativité (rendement), 

- interférences entre les réactifs et les dérivés 

- durée 


3P 3. Pyrolyse 


Objectifs 

Analyse de matériaux complexes (polymères naturels ou synthétiques) 

non vaporisables 

Principe 

Dégradation par chauffage en fragments (de masses plus faibles) 

vaporisables qui permettent l’identification 



Avantages 

Couplage facile avec les techniques 

chromatographiques et spectrophotométriques 

p Difficultés 

• interprétation des pyrogrammes (pas toujours 

facile de remonter à la molécule l d’origine) 

i • Analyse (plutôt) qualitative 

• pyrolyse par paliers de température pour des 

échantillons complexes 

Université de Paris 12 Val de Marne Faculté des Sciences et technologie 9 et 16 mars 2009


Remarque 2: concentration d’échantillons volatils 

1°/ Espèces à concentrer Piège (tube remplie) 

gaz vecteur 

+ solutés 

gaz vecteur 

2°/ chauffage rapide du piège => désorption rapide du matériel piégé 



Remarque 3: analyse moléculaire chirale 

molécules volatiles 

-alcanes,alcoools, l l esters 

(Analyse CPG directe) 

H N 

H 2 

COOH 

H 

R 

HO 

O 

H 

H 

OH 

OH 

H 

H 

OH 

 

molécules non-volatiles: 

- acides carboxyliques, acides 

aminés, sugars, nucléobases 

L-aminoacide 

id 

D-ribose 

(Dérivatisation préalable) 



Phases stationnaires chirales 

H 3 C 

CH 3 

* 

CH3 

Si O Si 

CH 2 

CH 

O 

CH 3 

O 

n 

O 

C 

C NH C(CH 3 ) 3 

NH C H 

CH(CH 3 ) 2 

CHIRASIL-L-VAL 

CHIRASIL-β-DEX 


signal FID (mV) 

Chromatographie en Phase Gazeuse Reproductibilié (CPG) < 8 % 

9400 

8900 

8400 

7900 

DL-val 

D-isoleu 

L-isoleu + DL-leu 

DL-phenyl 

7400 

6900 

6400 

acide 

-am ino DL-ala 

α 

β 

-ala 

gly 

DLnorva 

DL-norleu 

acide 4-amino 

DL-acide aspa 

DL-acide glu 

5900 

5400 

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 

tem ps (m in) 

Programme en température:70 °C, 5 min - 4 °C/min - 170 °C, 5 min. Colonne CHROMPACK 

10 m * 0,25 mm CP-Chirasil Dex. P=48 kPa. Split 1:100. Volume injecté : 1 microL. 



Remarque 4: Chromatographie multidimensionnelle 

Colonnes en série et « heart-cuting » 

C1: apolaire C2: polaire 



Colonnes en parallèle (2D) 

2. Colonnes en parallèle 



V. Analyse quantitative 

• Etalonnage externe 

• Ajouts dosés 



• Etalonnage externe 

échantillon inconnu A 1 =k m x 

Droite d’étalonnage A=f(m) 

k= ΔA/Δm m x 

= A 1 /k 

• Ajouts dosés 

échantillon inconnu A 1 =k m x 

échantillon inconnu + étalon A 2 =k (m x +Δm) 

ΔA=k Δm 

m x 

=A 1 . Δm/ΔA 



Perte de charge d’une colonne 

chromatographique (Δ= P e – P s ) 

P 

P e 

F ( ) 

P s (=P 0 ) 

F 

(u ) 

u=L/t m F=Πr 2 u F 0 =Πr 2 u 0 

J=u/u 0 =(P 2 -1)/(P 3 -1) avec P=P e /P 0 

(J= facteur de compressibilité) 



VI. Applications 

1. Environnement 

2. Alimentation 

3. Santé 

4. Espace 



1. Environnement 

COVs: composés organiques volatils 

SCOVs: composés organiques semi-volatils (Téb>200°C) 

milieux analysés: sol/sédiments eau air 


COVs: 


trichloroethane, trichloroethylène, benzène, toluène, 

ethylbenzène, xylène 

SCOVs: 

naphtalène, anthracène, pyrène 

- HAPs: Hydrocarbures aromatiques polycycliques 

- BPCs: Biphenyles Polychlorés (utilisés dans les 

lubrifiants et les plastifiants) 

- Pesticides: substances chimiques destinées à 

protéger les cultures (> 1000, industrie chimique) 









2/3. Alimentation‐santé 

1. Analyse des acides gras saturés et insaturés 

constituants essentiels des lipides (matières grasses) 

Méthode d’analyse: 

1-extraction des lipides (ether, solvant,..) 

2-saponification (OH - ) pour obtenir les acides gras 

3-transformation (volatilisation) des acides gras en esters 

methyliques 

4-analyse par CPG 







Colonne : 30 m x 0.25 mm VF-23ms, df = 0.25 µm 

Four 

: 185°C 

Détection : FID 

1 

2 3 4 6 

8 10 

5 7 13 

9 12 

Acides gras dans le beurre 

15 

Identification des pics 

1 C 8:0 

2 C10:0 

3 C12:0 

4 C14:0 

5 C14:1 

6 C16:0 

7 C16:1 9-cis 

8 C18:0 

9 C18:1 trans 

10 C18:1 9-cis 

11 C18:1 13-cis 

12 C18:2 9-trans, 12-trans 

13 C18:2 9-cis, 12-trans 

14 C18:2 9-trans,12-cis 

15 C18:2 9-cis, 12-cis 

11 

14 

0 5 minutes 

Université Ref: J.Peene, de Paris Varian Val 12 applic.lab.Middelburg 

de Val Marne de Marne Faculté des Sciences et technologie Faculté de Sciences 9 et 16 Technologie mars 2009


Séparation des sucres 

1 

2 

1 Rhamnitol 

2 Fucitol 

3 Ribitol 

4 Arabinitol 

5 Mannitol 

6 Galactitol 

l 

7 Clucitol 

8 Inositol 

3 4 

4 

5 6 7 8 

0 

4 minutes 

30 m x 0.25 mm Varian VF-23ms, df = 0.25 µm 

Four : 260°C 

échantillon: sucres 



Huile essentielle de citron 

Standard d Dimensionsi 

30m X 0.25mm , df = 0.5 micron, VF-5ms 

Carrier : Helium, split 100 ml/min, 50Kpa 

Sample size : 2ul , 1% 

Detector : FID 

Temp prog : 40°C(2min), 15°C/min to 185°C 

FAST factorFour 

20m X 0.15mm , df = 0.3 micron, VF-5ms 

Carrier : Helium, split 150 ml/min, 160Kpa 

Sample size : 2ul , 1% 

Detector : FID 

Temp prog : 40°C(2min) C(2min), 30°C/min to 185°C 

25 

minutes 

12.5 

minutes 

Same elution order, 2 times faster 


1 5 0 


Drogues 

GC-MS : (3900-Saturn 2100T) 

Colonne : VF-5ms , 30m * 250um , 

df=0.25um. 

identification: 

T°C : 120°C 

1) 1-Octanol 

gaz vecteur: Helium 0.6 ml/min 

2) n-Decane 

éch. : 1 ul, split 1: 200 (0.1 %) 

11 

3) 2,6 Dimethylphenol + 

Octanoic acid methyl 

ester 

4) 2,6 Dimethylanaline 

1 2 5 

7 

3 

5) n-Dodecane + 

1 0 0 

2 

Methamfetamine. 

4 

5 

6) Naphthalene 

75 

6 

7) Ethosuximide 

1 8) 1-Decano 

9 

9) n-Tridecane 

50 

8 

1 

0 

10) Decanoic acid Methyl 

ester 

25 

11) Nicotine 

0 

2 .5 5 .0 7 . 5 1 0 . 0 

m in u t e 

12 

minutes 



Ecstasy Urin prepared with SPEC 

Drogues 

(ecstasy) 

Cotinine 

12 m x 0.25 mm VF-DA 

He, 1 ml/min; MS; 

Four: 70°C, 2 min-> 200°C,20°C/min 

MDE 

-->260, 5°C/min-->320°C, 2 min 

MDMA 

1 Amphetamine 

2 MDA 3,4-methylenedioxyamphetamine 

3 MDMA 3,4- methylenedioxymethamphetamine 

4 MDE 3,4-methylenedioxy-ethylamphetamine 

5 Cotinine 

Amphetamine 

MDA 



Analyse de pesticides id dans une pomme 

5 Hz 

1600 

1400 

1200 

1000 

800 

600 

400 

200 

Column : Fused Silica 25m x 0.15mm CP-Sil 13 CB, df = 0.40 µm 

Temperature : 80°C (1 min), 65°C to 290°C 

Carrier gas : He, 363 kPa, 3.6 bar 

( Injector : Splitless, 5µL in 2mm ) ID liner 

Detector : ECD, T= 300 °C 

Sample : 2 ng/uL 

diazinon n 

dim methoate 

chlorp pyrifos-meth hyl 

fenitroth ion 

chlorpyrifos 

penconazole 

e 

methid dathion 

kresoxim m-methyl 

myclobuta anil 

7 minutes 

0 

3 4 5 

Ref: Milena Dömötörová, Michal Kirchner and Eva Matisová, Department of Analytical 

6 min 

Chemistry, Faculty of Chemical and Food Technology, Slovak University of Technology, 

Slovak Republic 

Université de Paris Val 12 de Val Marne de Marne Faculté des Sciences et technologie Faculté de Sciences 9 et 16 Technologie mars 2009 

phosalone


Column : 20 m x 0.15 mm CP-FFAP CB, df =0.25 µm 

Injection : 4 µl, PTV, Solvent venting 

Carrier : Hydrogen 

Esters Et lourds dans le whisky 

hik 

FID1 A, (CP-FFAP\TEST0047.D) 

pA 

90 

2.851 

10.873 

13.142 

14.026 

17.178 

80 

70 

17.4 423 

19.5 548 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

3.74 3.75 3.71 41 55 14 

5.754 

7.38 80 

8.43 38 

8.757 

11.348 

12.989 

13.334 

14.966 

15.372 15 5.226 

16.433 

17.359 

18.283 

18.945 

19.133 

3 

20.197 

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 

mi 

Université Ref: K Macnamara, de Paris Val 12 Irish de Val Marne 

Distillers de Marne Faculté des Sciences et technologie Faculté de Sciences 9 et 16 Technologie mars 2009


2/3. Alimentation‐santé 

2. Analyse des acides aminés dans les liquides biologiques 

• Aminoacidopathies: anomalies du transport des AA, anomalie 

dans la synthèse ou la dégradation d’une protéine 

• Plasma, urine, leucocytes (aa libres), urine, cheveux (aa liés) 

signal FID (mV) 

9400 

8900 

8400 

7900 

7400 

6900 

6400 

acide 

-amino 

DL-ala 

-ala 

gly 

DL-val 

DLnorva 

D-isoleu 

L-isoleu + DL-leu 

DL-norleu 

acide 4-amino 

DL-acide aspa 

DL-phenyl 

DL-acide glu 

5900 

5400 

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 

temps (min) 



4. Espace : CPG et exploration spatiale 

Instruments CPG embarqués dans des sondes spatiales 

Objectifs: planétologie comparée (formation du système 

solaire) et exobiologie (origine de la vie) 

Missions spatiales 

- Mars Science Laboratory 2009 (Mars) 

- Rosetta 2004-2014(comètes) 

- Cassini-Huygens (Titan) 



December 25, 2004 





Mars : un objet privilégié 

Eau liquide 

Matière organique 

ALH84001 





OMEGA : argiles 

Marwth Vallis 

© HRSC 





MOMA (Mars Organic Molecule Analyzer) 

Échant. 

gazeux 

Pyrolyse 

Echant. 

solide 

Derivatis.. 

piège 

d’enrich. 

CPG 

Colonnes 

Detecteurs 

SM 

He 

sortie 



Les comètes 



-Mission Rosetta 2004-2014(comètes) 



Mass spectrometer subsystem 

Oven on the Marry-Go-Round 

Calibration 

Gas tank 

Transfert interface to the 

analytical instruments 

Carrier gas tanks 

GC columns 

MS exhaust

Cours de Chromatographie en Phase Gazeuse (L2)

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